EDF souhaite utiliser la technologie de mesure de température répartie par capteur à fibre optique utilisant l’effet Raman pour réaliser des cartographies de température de certains composants de centrales nucléaires. Les conditions environnementales auxquelles le capteur à fibre optique est soumis sont particulièrement agressives (température de 350 °C et rayonnements gamma ionisants). Les rayonnements ionisants sont responsables de la création de défauts structurels au cœur de la fibre, qui atténuent sa transmission lumineuse, et dont les effets engendrent une erreur de mesure de température pouvant aller jusqu'à l’interruption totale de la mesure. La haute température, quant à elle, dégrade le revêtement protecteur de la fibre optique, ce qui la fragilise mécaniquement. Des irradiations gamma in situ sur des fibres optiques multimodes commerciales à revêtement or protégées par une gaine en acier inoxydable ont été réalisées, à l’aide de deux sources de rayonnements différentes, pour observer l'atténuation radio-induite du capteur à fibre optique en fonction du débit de dose et de la dose cumulée. Les effets du rayonnement à température ambiante, puis à haute température, ont été observés. Ce travail expérimental démontre que la haute température peut être maîtrisée grâce à une fibre à revêtement or, et que la haute température est bénéfique contre l’atténuation de la fibre engendrée par l’irradiation. La mise en œuvre de capteur de température à fibre optique en environnement sévère devient possible, ainsi que l’estimation des incertitudes sur la mesure associée. / EDF is working on Raman distributed temperature sensing using optical fiber sensors in order to map temperature of nuclear power plants big components. The sensor has to sustain harsh environmental conditions (temperatures up to 350 °C and gamma ionizing radiations). Ionizing radiations can create structural defects inside the fiber’s core, which attenuate the light transmission. This phenomenon can lead to temperature measurements errors until no measurement is possible. As for high temperature, it can affect the fiber coating, which mitigate the fiber mechanical resistance.Gamma rays in situ irradiations have been carried out over commercial off-the-shelf multimode gold coated fibers protected with a stainless steel metal tubing, with two different radiation sources, in order to observe radiation-induced attenuation over dose rate or cumulated dose. Effects of gamma rays over gold coated optical fiber sensors have been observed at both room anhigh temperature.This experimental work enlightens that high temperature can be controlled with gold coated fibers, and that the radiation-induced attenuation downsides can efficiently be balanced with high temperature. Implementation of a Raman distributed temperature optical fiber sensor in such harsh environments becomes possible, as well as the associated estimation of measurement uncertainty.

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Dans ce travail de thèse, nous avons étudié l'effet des rayonnements ionisants (rayons X et γ) jusqu'à une dose maximale de 1 Grad sur différents types de fibres multimodes (dopées -P, -P-Ce, -Ge, -Ge-F, -Ge-Ce et -N). Les caractérisations ont été réalisées principalement avec trois techniques expérimentales : online Atténuation Induite par Radiation en temps réel (RIA), Résonance Paramagnétique Electronique (EPR), Micro-Luminescence (ML). Dans la première partie du travail de cette thèse, nous avons étudié la réponse aux radiations de différents types de fibres optiques. L'absorption liée aux défauts du phosphore induits par irradiation a été étudiée par des mesures RIA dans le domaine spectral UV-Visible. Les mesures EPR nous permis de détecter les défauts POHC, P1 et P2. En particulier, pour la détection de P1 et P2, nous avons utilisé le mode de détection de la seconde harmonique pour déterminer la cinétique de croissance des P1 et P2 en fonction de la dose. Nous avons également étudié les effets dus au changement des conditions de fibrage et ceux liés à la variation de la température d'irradiation (25-280 ° C). Nous avons aussi étudié l’effet du codopage du coeur de la fibre avec du Cérium. Dans ce cas, nous avons observé une production moins importante de centres POHC et P2 sous irradiation. De plus, les mesures EPR ont montré que la génération des défauts P1 n’est pas sensiblement influencée par le codopage avec le Cérium. En ce qui concerne les fibres optiques dopées Ge, on a étudié trois types de dopage : Ge seul, co-dopage Ge-F et Ge-Ce. Pour chaque type, nous avons examiné trois conditions de fibrage. La réponse à l’irradiation de ces fibres a été étudiée par les trois techniques utilisées. Plus particulièrement la ML, nous a permis d'obtenir une vision plus complète du rôle du codopant et des précurseurs dans la formation des défauts induits par l'irradiation. Nous avons également étudié la réponse au rayonnement de la fibre dopée N avec trois différentes conditions de fibrage. Les réponses à l’irradiation dans les régions spectrales UV-visible ont été obtenues par des mesures RIA. Par EPR, nous avons pu détecter deux défauts liés à l'azote pour les doses élevées de radiation. Enfin, les mesures ML sur les fibres irradiées ont montré trois bandes d'émission dans le visible qui ont été attribuées clairement à des centres émetteurs liés à l'azote. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié les effets liés au chargement en oxygène des fibres étudiées. Par des mesures en microspectroscopie Raman, nous démontrons qu'un traitement à haute température et haute pression peut favoriser l’introduction d’une grande quantité de O2 dans les fibres optiques à cœur de silice pure (PSC) ou dopées F, Ge ou P. Les réponses à l’irradiation de certaines des fibres optiques chargées en O2 ont été étudiés (et en particulier PSC et celle dopée F. Sur la base des données de la littérature, nous avons effectué les décompositions des spectres RIA en fonction de la dose. De plus, l'étude EPR des fibres optiques dopées P et chargées en O2 a montré une forte réduction des défauts P1 et P2 comparées aux fibres non traitées. Dans cette partie de la thèse, j’ai également présenté les résultats concernant la radioluminescence infrarouge (1272 nm) des molécules O2 dans la fibre optique. La faisabilité d'un capteur de radiation pour des environnements sous fortes doses et forts débits de dose a été discutée / In this Thesis work we have investigated the effect of ionizing irradiation (X and γ rays) up to 1 Grad on different types of multimode optical fibers (P-doped, P-Ce-doped , Ge-doped, Ge-F-doped, Ge-Ce-doped, and N-doped). The experiments were carried out by three main experimental techniques: online Radiation Induced Attenuation (RIA), Electron Paramagnetic Resonance (EPR) and Confocal Micro-Luminescence (CML). In the first part of the Thesis work we report on the radiation response of several types of optical fibers. The absorption due to radiation induced P-related defects was studied by RIA in the UV-Visible domain. Moreover, by EPR measurements we were able to detect POHC, P1 and P2 defects. In particular, for the detection of P1 and P2 defects we have validated the use of EPR second-harmonic detection mode which allowed us to obtain the growth kinetics of P1 and P2 with the dose. The effects due to the variation of the drawing conditions of the fibers were investigated as well as the ones due to the change of the temperature of irradiation (from 25 to 280 °C). Finally, concerning the P-doped OFs, we report on the effects due to the Cerium codoping of the core of the optical fiber. We observed a reduced generation of POHC and P2 centers under irradiation. However, EPR investigation has shown that the generation of P1 defects is essentially unaffected by the Ce-codoping. Regarding Ge-doped optical fibers we report on three basic typologies: Ge-doped, Ge-F-doped and Ge-Ce-doped. For each fiber typology we investigated three drawing conditions. The radiation responses of these fibers were characterized by RIA and EPR measurements. Furthermore, performing CML measurements we were able to obtain further insight on the role of the co-dopants and of the defect precursors in determining the radiation induced defects. We have also investigated the radiation response of N-doped OFs (three drawing conditions). The radiation responses in the UV-Visible domains were obtained by RIA, and by EPR measurements we were able to detect the signals of two N-related defects at high radiation doses. Finally, CML measurements on irradiated samples have shown three emission bands in the visible domain which are tentatively assigned to N-related centers. In the second part of the Thesis we report on the effects of an O2 loading treatment produces on some of the investigated samples. By micro-Raman measurements we demonstrate that a high pressure high temperature treatment can incorporate high quantity of O2 into Pure-Silica-Core (PSC), F, Ge and P doped optical fibers. The radiation responses of some of the O2-loaded optical fibers were investigated with particular regard to the fluorine doped and pure-silica-core optical fibers. On the basis of literature data we performed band decompositions of the RIA spectra as a function of the dose. Moreover, the EPR study of the O2 loaded P-doped optical fiber have shown a strong reduction of the signals associated to the P1 and P2 defects as compared to the untreated fibers. In this part of the thesis we also report on the characterization of the near infrared radioluminescence (1272 nm) of O2 molecules embedded in the optical fiber matrix and the feasibility of a radiation sensor based on this phenomenon for environments characterized by high radiation doses and high dose-rates

Cette thèse est consacrée à l'étude de la réponse aux radiations d'amplificateurs à fibre optiques dopées Er 3+ et Yb3+. Ces dispositifs fonctionnant à 1,5 µm ont été conçus pour des applications spatiales et l'évaluation de leurs performances revêt d’une importance capitale dans un tel environnement hostile. Deux traitements, le chargement en H2 et le co-dopage au Ce du cœur de la fibre, ont été étudiés comme solutions de durcissement aux radiations. Une étude spectroscopique a permis d’approfondir la connaissance des mécanismes physiques de base responsables de la dégradation de ces composants et par conséquent de proposer des solutions de durcissement. La thèse est organisée en trois parties. La Partie I présente une description générale des fibres dopées aux ions de Terres Rares (TR), avec l'introduction des concepts de base de la physique de tels éléments et leur interaction avec la matrice hôte (verre phosphosilicate). L'état de l'art concernant les effets des rayonnements sur les fibres dopées aux TR est également présenté. La Partie II décrit les échantillons et les techniques expérimentales utilisées. La Partie III décrit les principaux résultats dont les tests, en configuration active, démontrent que le co-dopage au Ce ainsi que le chargement en H2 ont un rôle-clé dans la limitation des pertes induites par rayonnement. L'analyse spectroscopique de la matrice vitreuse (Raman) et des ions TR (par mesures de luminescence stationnaire et résolue en temps) mettent en exergue un fort effet de durcissement, conduisant à une préservation de l'efficacité du système physique en opération / This thesis is devoted to the study of the radiation response of optical amplifiers based on Er/Yb doped fibers. These devices operating at 1.5 µm are conceived for space applications and contextually the evaluation of their performance in such harsh environment becomes of crucial importance. Two treatments, the H2-loading and the Ce-doping of the fiber core, are investigated as radiation hardening solutions. A spectroscopic study has been associated, in order to improve the knowledge of the physical mechanisms responsible for the signal degradation and the action of the hardening solutions. The thesis is organized in three parts. Part I deals with a general description of the Rare-Earth (RE)-doped fibers, with the introduction of some basic concepts of the RE-ion physics and their interaction with the host matrix material (phosphosilicate glass). The state-of-art of the radiation effects on the optical fibers, particularly the RE- doped fibers, is also overviewed. Part II describes the samples (fiber fabrication, geometry and chemical compositions), and the used experimental techniques, including a short discussion on the related theoretical background. Part III describes the main results; firstly, the active tests, performed on the RE-doped fiber as part of an optical amplifier, demonstrate that the Ce-codoping and H2-load have a key-role in the limitation of the radiation induced losses. Then, the spectroscopic analysis of the phosphosilicate glass (Raman study) and of the RE-ions (stationary and time-resolved luminescence) show a stabilization effect due to the two treatments, leading to a preservation of the high efficiency of the physical system under study